李偉兵，王曉鳴，李文彬，鄭 宇

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094）

單點(diǎn)起爆形成多模式EFP的可行性研究*

李偉兵，王曉鳴，李文彬，鄭 宇

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094）

針對同一成型裝藥形成多模毀傷元問題，利用LS-DYNA程序，研究了單點(diǎn)起爆位置對爆炸成型侵徹體（explosively formed penetrator，EFP）成型的影響規(guī)律。當(dāng)起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離從0倍裝藥口徑增加到0.72倍裝藥口徑，EFP速度提高了37.8%，長徑比增加了1倍多；優(yōu)化設(shè)計成型裝藥結(jié)構(gòu)，分析了主裝藥端面中心點(diǎn)起爆和藥型罩頂點(diǎn)起爆爆轟波傳播規(guī)律，實現(xiàn)了桿式EFP、EFP 2種模態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過X光成像實驗進(jìn)行了驗證，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

爆炸力學(xué)；多模式EFP；單點(diǎn)起爆；成型裝藥；桿式EFP；起爆位置

為了使同一彈藥能對付戰(zhàn)場中出現(xiàn)的多種目標(biāo)，多模式戰(zhàn)斗部成為當(dāng)前成型裝藥技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。A.J.Whelan［1］設(shè)計了一種能同時攻擊城市建筑物和裝甲鋼板的多級戰(zhàn)斗部，其中的主戰(zhàn)斗部通過環(huán)形起爆形成射流，前級戰(zhàn)斗部則形成緩慢拉伸射流；F.Steinmann等［2］研究了多模式EFP戰(zhàn)斗部，通過中心點(diǎn)起爆形成穩(wěn)定飛行爆炸成型彈丸，通過環(huán)形起爆形成伸長式EFP，通過環(huán)形起爆和中心點(diǎn)延遲4μs起爆形成EFP破片；E.L.Baker等［3］研究了可選擇起爆成型裝藥，通過改變起爆技術(shù)達(dá)到對輕裝甲、地質(zhì)材料等的毀傷。上述多模戰(zhàn)斗部研究，都是以改變起爆方式來實現(xiàn)多模毀傷元的轉(zhuǎn)換，而其中采用的環(huán)形起爆方式主要通過隔板實現(xiàn)環(huán)形爆轟波或以多點(diǎn)起爆代替環(huán)形起爆，在實際中很難實現(xiàn)環(huán)形起爆。

D.Bender等［4］用DYNA-2D軟件模擬了通過改變EFP裝藥結(jié)構(gòu)環(huán)起爆位置而獲得不同形狀的侵徹體，發(fā)現(xiàn)起爆環(huán)靠近中心點(diǎn)時能夠形成飛行穩(wěn)定式EFP，起爆環(huán)遠(yuǎn)離中心點(diǎn)時能夠形成大伸長式EFP；蔣建偉等［5］在數(shù)值模擬研究多模毀傷元形成與侵徹效應(yīng)時，得出起爆點(diǎn)位置可顯著改變侵徹體的形狀，且隨著起爆半徑增大，侵徹體逐漸拉長，長徑比增大，頭部速度逐漸增大，尾部速度逐漸減小，速度梯度變大；但是他們沒有研究單點(diǎn)起爆位置改變會對侵徹體形狀有何影響。如果只采用單點(diǎn)起爆方式，通過改變起爆位置來實現(xiàn)多模毀傷元的轉(zhuǎn)換，就解決了環(huán)形起爆難實現(xiàn)的問題。

本文中主要研究同一成型裝藥結(jié)構(gòu)單點(diǎn)起爆形成EFP和桿式EFP等2種毀傷元的方法，利用LSDYNA軟件，通過研究單點(diǎn)起爆位置對EFP成型的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計成型裝藥結(jié)構(gòu)，分析主裝藥端面中心點(diǎn)起爆和藥型罩頂點(diǎn)起爆爆轟波傳播及對藥型罩的壓垮規(guī)律，實現(xiàn)主裝藥端面中心點(diǎn)起爆形成桿式EFP、藥型罩頂點(diǎn)起爆形成EFP，并進(jìn)行實驗驗證。

1 單點(diǎn)起爆位置對EFP成型的影響

1.1 模擬研究方案

成型裝藥結(jié)構(gòu)采用船尾形裝藥，裝藥直徑為100mm，裝藥高度為90mm，藥型罩設(shè)計為錐弧結(jié)合形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。起爆方式采用中心點(diǎn)起爆，通過設(shè)定起爆點(diǎn)P、A、B、C、D、E和O等7種起爆方案來研究起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離d對EFP成型的影響，每種方案的起爆點(diǎn)之間相隔12mm。

用ALE算法來計算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動問題的聚能侵徹體形成過程［6－8］，其中計算模型的建立和材料模型的選取見文獻(xiàn)［8］。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬得到了各方案的EFP成型情況，見圖2，d為起爆點(diǎn)距離藥型罩頂點(diǎn)的軸向距離（見圖1），Dk為裝藥口徑，為100mm，其中起爆點(diǎn)P的軸向距離為0表示起爆點(diǎn)在罩頂上起爆。

分析模擬結(jié)果，得到圖3所示EFP成型參數(shù)隨中心點(diǎn)起爆位置的變化曲線，其中v1為EFP頭部速度，v′為EFP頭尾速度差，l為EFP長度，dp為EFP直徑，l／dp為長徑比，頭部速度、頭尾速度差、長度和長徑比都隨著起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離增大而逐漸增大。當(dāng)起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離從0倍裝藥口徑增加到0.72倍裝藥口徑，EFP速度提高了37.8%，長徑比增加了1倍多。由圖2侵徹體形態(tài)可以得出中心點(diǎn)起爆位置對EFP形成的影響趨勢：在同一裝藥結(jié)構(gòu)下，隨著起爆點(diǎn)距離藥型罩軸向距離的增大，EFP拉長明顯，向桿式EFP轉(zhuǎn)變。

圖1 成型裝藥結(jié)構(gòu)及起爆點(diǎn)分布Fig.1Formed charge structure and initiation point layout

圖2 中心點(diǎn)起爆各方案120μs時的計算結(jié)果Fig.2 EFP shapes at 120μs in the cases of different initiation points

圖3 120μs時EFP成型參數(shù)隨中心點(diǎn)起爆位置的變化曲線Fig.3 Variation of the formation parameters of an explosively formed penetrator with the center point initiation positions at 120μs

主裝藥中心點(diǎn)起爆后，爆轟波到達(dá)罩頂附近時，波陣面呈球面。當(dāng)中心點(diǎn)起爆位置在軸向上發(fā)生變化，必將使球面波作用在藥型罩上的時間先后和壓力大小不同，使藥型罩壓垮變形不同，從而引起EFP成型參數(shù)的變化。圖4為主裝藥中心軸上任意一點(diǎn)起爆爆轟波對藥型罩單元壓垮作用的示意圖，其中GF為爆轟波陣面，θ為爆轟波在外表面的入射角，δ為藥型罩單元的飛散角，2α為藥型罩錐角。設(shè)G點(diǎn)處單元坐標(biāo)為 （x，y），取炸藥爆速為D，應(yīng)用Taylor公式可得藥型罩壓垮速度

圖4 爆轟波對藥型罩單元壓垮作用示意圖Fig.4 Schematic of the charge liner element collapsed by detonation waves

藥型罩壓垮速度直接決定了侵徹體最后的成型速度，由上式可得EFP速度與起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離之間呈拋物線規(guī)律變化，該規(guī)律與模擬結(jié)果一致。

1.3 實驗驗證

實驗采用與數(shù)值模擬同樣的成型裝藥結(jié)構(gòu)，采用中心點(diǎn)O起爆方式，進(jìn)行X光實驗驗證。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較見圖5，其中v1為侵徹體頭部速度，v2為尾部速度，dp為侵徹體直徑，l為長度。從所形成的侵徹體的外部形狀及侵徹體參數(shù)的比較情況來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合。

圖5 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較Fig.5 Comparison between simulation and experiment

2 單點(diǎn)起爆形成多模式EFP

LI Wei-bing等［8］研究了環(huán)形多點(diǎn)起爆對EFP成型及侵徹的影響，找出了代替環(huán)起爆的多點(diǎn)起爆點(diǎn)數(shù)，得到了環(huán)形多點(diǎn)起爆位置對EFP成型及侵徹的影響規(guī)律。雖然找出了使形成的侵徹體不發(fā)生彎曲變形的多點(diǎn)同步起爆偏差應(yīng)在200ns以內(nèi)，但是實驗中存在的多點(diǎn)同步起爆偏差盡管降低到最小，還是會影響侵徹體成型，特別是對侵徹體尾翼的影響，從而導(dǎo)致EFP穩(wěn)定性不好，影響最終的侵徹效果。通過對單點(diǎn)起爆位置對EFP成型的影響規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)隨著起爆點(diǎn)距離藥型罩軸向距離的增大，EFP速度和長徑比都有顯著提高，其規(guī)律與起爆環(huán)位置［8］對EFP的影響規(guī)律一致。從而聯(lián)想到是否可改變單點(diǎn)起爆位置來實現(xiàn)EFP和桿式EFP的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而解決環(huán)形多點(diǎn)同步起爆偏差對EFP的影響。

李偉兵等［9］研究了成型裝藥高度、殼體厚度和藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對多模毀傷元成型的影響，結(jié)合單點(diǎn)起爆位置對EFP成型的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計了成型裝藥結(jié)構(gòu)，如圖1所示，選取錐角為135°、弧度半徑為45mm的藥型罩結(jié)構(gòu)，主裝藥中心點(diǎn)O起爆形成桿式EFP，藥型罩頂點(diǎn)P起爆形成EFP。

2.1 多模式EFP成型機(jī)理分析

由于起爆方式對聚能侵徹體的影響主要體現(xiàn)在對主裝藥爆轟波形的控制上，單點(diǎn)起爆位置的改變引起主裝藥爆轟波對藥型罩的不同作用過程如圖6所示。由圖中可以看出，單點(diǎn)起爆主裝藥中爆轟波波陣面呈球面，中心點(diǎn)O起爆，球面波要到9μs才開始對藥型罩作用；藥型罩頂點(diǎn)P起爆，則一起爆就開始對藥型罩作用；而且每一時刻爆轟波最大壓力區(qū)分布不一樣。圖7為主裝藥爆轟波傳播過程中最大爆轟壓力的變化曲線，爆轟壓力都是先瞬間增大，然后快速下降到一定值后平緩減小。其中中心點(diǎn)起爆形成的爆轟波壓力峰值比藥型罩頂點(diǎn)起爆形成的爆轟波壓力峰值來得晚，主要是由于中心點(diǎn)起爆爆轟波需要在主裝藥中傳播一段時間才對藥型罩作用；中心點(diǎn)起爆時爆轟壓力在12～15μs瞬間下降，藥型罩頂點(diǎn)起爆時爆轟壓力在9～12μs瞬間下降，這是由于在這之間藥型罩在爆轟波的壓垮作用下與炸藥產(chǎn)生間隙，從而使爆轟載荷瞬間卸載。

圖6 不同的起爆位置，主裝藥爆轟波的傳播過程Fig.6 The diffusion processes of the detonation waves of the main charge explosive in the cases of different initiation positions

圖8為藥型罩的壓垮過程，圖9為藥型罩所受到最大爆轟壓力的變化曲線，曲線變化趨勢與爆轟波傳播過程最大爆轟壓力的曲線變化趨勢基本一致。中心點(diǎn)O起爆藥型罩受到的爆轟壓力峰值遠(yuǎn)大于藥型罩頂點(diǎn)P起爆受到的爆轟壓力峰值；中心點(diǎn)O起爆藥型罩在9μs時爆轟壓力瞬間增大，而且球面波首先傳到藥型罩頂端，這也是引起后來形成的聚能侵徹體頭部速度較大的原因。觀察圖8中藥型罩受到最大爆轟壓力分布區(qū)域，發(fā)現(xiàn)藥型罩頂點(diǎn)P起爆爆轟波最大壓力區(qū)較大，藥型罩多個微元同時被壓垮，因此其形成的聚能侵徹體頭尾速度差較小，而中心點(diǎn)O起爆爆轟波最大壓力區(qū)較集中。

圖7 主裝藥爆轟波傳播過程中最大爆轟壓力Fig.7 The maximum detonation pressures in the diffusion processes of the detonation waves of the main charge explosive

圖8 藥型罩的壓垮過程Fig.8 The collapse process of the charge liner

圖9 藥型罩受到的最大爆轟壓力Fig.9 The maximum detonation pressures suffered by the charge liner

2.2 仿真得到多模式EFP

模擬計算優(yōu)化設(shè)計成型裝藥結(jié)構(gòu)，得到中心點(diǎn)O起爆形成桿式EFP，藥型罩頂點(diǎn)P起爆形成EFP，見圖10，其中v1為侵徹體頭部速度，v2為尾部速度，dp為侵徹體直徑，l為長度。其中桿式EFP此時頭尾速度差還較大，從其剖面圖可以看出侵徹體的尾裙將斷裂，從而形成前面實體部分的桿式侵徹體。桿式EFP的長徑比2.57是EFP長徑比1.13的2.3倍，其頭部速度比EFP的頭部速度增加了48.6%，將大大提高侵徹效果。

圖10 單點(diǎn)起爆形成多模式EFP在120μs時的形態(tài)Fig.10 Multimode EFPs formed by single-point initiation at 120μs

3 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬研究了單點(diǎn)起爆位置對EFP成型的影響，得知EFP的成型參數(shù)隨起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離呈雙曲線規(guī)律變化。當(dāng)起爆點(diǎn)距離藥型罩的軸向距離從0倍裝藥口徑增加到0.72倍裝藥口徑，EFP速度提高37.8%，長徑比增加1倍多。

（2）在同一成型裝藥戰(zhàn)斗部上，通過改變中心點(diǎn)起爆位置，可以獲得EFP和桿式EFP，2種模態(tài)之間可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

（3）主裝藥端面中心點(diǎn)起爆形成桿式EFP，藥型罩頂點(diǎn)起爆形成EFP，桿式EFP的長徑比是EFP的2.3倍，其頭部速度比EFP的頭部速度提高了48.6%，大大提高了戰(zhàn)斗部的毀傷能力。

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Feasibility research on the formation of a multimode explosively formed penetrator with single-point initiation＊

LI Wei-bing，WANG Xiao-ming，LI Wen-bin，ZHENG Yu
（ZNDY of Ministerial Key Laboratory，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Aimed at forming multimode penetrators with the same shaped charge，the LS-DYNA software was used to explore the effects of the point initiation position on the formation of an explosively formed penetrator（EFP）.When the axis distance between the liner and the initiation point increased from 0to 0.72times as long as the charge caliber，the EFP velocity increased 37.8percent and the length-diameter ratio increased over 100percent.The charge shape was optimized.The diffusion of the detonation waves was analyzed，which were formed by the center point initiation at the end of the charge and the point initiation of the liner peak，respectively.And the conversion of the rod-shaped EFP and EFP was achieved.The simulated results accord with the X-ray imaging experiments.

mechanics of explosion；multimode explosively formed penetrator（EFP）；single-point initiation；shaped charge；rod-shaped EFP；initiation position

30January 2010；Revised 29April 2010

LI Wei-bing，njustlwb＠163.com

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389；TJ45＋6 國標(biāo)學(xué)科代碼：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0204-06＊

2010-01-30；

2010-04-29

國家部委基金項目（A2620060253）；江蘇省2009年度普通高校研究生科研創(chuàng)新項目（XC09E＿087Z）

李偉兵（1982— ），男，博士研究生，講師。

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